固態電池技術為設計電池設備的新結構提供了獨特的機會。將大粒徑的正極材料與小粒徑的固體電解質材料混合已被用來增加厚正極層中的離子滲透，從而在低倍率下獲得高容量。此外，采用多電解質層配置來防止鋰枝晶滲透。對于負極，Si或Ag可以在高溫和低倍率下實現長循環壽命。然而，這種在高面積容量下實現極快動力學的裝置設計尚未見報道。

在此，哈佛大學李鑫團隊通過在電池層級的設計，實現了高正極負載和高面容量固態全電池的快速動力學。這種動力學改進是通過設計層狀結構的電極復合材料實現的。

在正極方面，該設計使得電池能夠在 13 ~ 40 mA/cm² 的高電流密度下實現3 mAh/cm² 以上的高面容量，從而產生 5C 至 10C 的倍率。在負極方面，該設計打破了大多數其他負極臨界倍率與放電電壓呈負相關的普遍規律。整體設計使這種電池能夠在室溫和 5C 充電率條件下快速循環4,000 多次。

圖1. 快速電池動力學的電極設計

總之，該工作通過在電極復合材料中設計層狀結構，實現了高正極負載和高面積容量下全電池動力學的飛躍。在正極，作者利用大電解質顆粒作為鋰離子通過厚正極層傳導的高速公路，再加上小電解質顆粒，以確保 NMC 顆粒與電解質基質之間納米到亞μm尺度的界面接觸。在負極中，向硅層添加固體電解質可顯著改善負極的整體動力學性能，從而提高臨界倍率和放電電壓。

因此，該工作所揭示的設計原理將有助于理解電池裝置中限制高正極負載下快速循環的關鍵動力學過程，并加快高性能 SSB 的設計。

圖2. 負極配置的電化學分析和比較

Fast Kinetics Design for Solid State Battery Device, Advanced Materials 2024 DOI: 10.1002/adma.202309306